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一種脈沖細分疊加信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脈沖細分疊加信號處理方法，旨在提供一種能同時提高BOTDR系統(tǒng)空間分辨率和傳感距離的信號處理方法。其技術(shù)方案的要點是：1）將獲得散射譜分別與標準散射譜相減，獲得疊加信息譜；2）將獲得的疊加信息譜中的第n+1條譜線與第n條譜線做差（n=2,3，…），如此依次得到整個光纖的信息譜線；3）最后計算出每條信息譜線零點對應(yīng)的頻率，即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布。本發(fā)明方法解決了傳統(tǒng)BOTDR系統(tǒng)空間分辨率與脈沖寬度相互制約的問題。本發(fā)明方法操作簡單，解決了空間分辨率和傳感距離是一對矛盾的問題，極大地提高了系統(tǒng)性能，是一種理想的信號處理方法。
【專利說明】一種脈沖細分疊加信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】中的信號處理方法，特別涉及一種脈沖細分疊加信號處理方法，該方法用于分布式光纖傳感系統(tǒng)的信號處理。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐高壓、耐腐蝕等優(yōu)點，近年來受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，具有巨大的發(fā)展前景。分布式光纖傳感的空間分辨率隨著探測脈沖寬度的增加而減小，所以通常采用減小探測脈沖寬度的辦法來提高空間分辨率，但是受到聲子壽命的限制，當(dāng)脈沖寬度小于聲子豫馳時間時，將導(dǎo)致聲子激發(fā)不充分，使得布里淵增益降低以及布里淵散射譜展寬及劣化，最終導(dǎo)致分布式光纖傳感器理論上極限空間分辨率只能達到lm。但是在飛行器船體健康診斷以及建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域需要厘米級空間分辨率，因此在這些領(lǐng)域迫切需求提高空間分辨率的方法。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，空間分辨率內(nèi)長度光纖被測信息發(fā)生變化時，采集到的后向Brillouin散射譜會發(fā)生微形變，此形變中隱含著傳統(tǒng)技術(shù)無法得到的被測信息變化，基于此，我們提出一種脈沖細分疊加信號處理方法，通過將探測脈沖細分獲得Brillouin散射譜中隱含的信息量，以得到厘米級空間分辨率，理論分析證明其可行性，數(shù)據(jù)分析也已驗證了該方法的正確性與有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的 目的是提供一種同時提高BOTDR系統(tǒng)的空間分辨率和傳感距離的信號處理方法。
[0005]本發(fā)明是對探測脈沖光進行等效細分，并對獲得的后向散射譜按照該方法規(guī)定的運算規(guī)則進行處理，以此提高空間分辨率。
[0006]為了解決上述存在的技術(shù)問題實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明方法是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一種脈沖細分疊加信號處理方法，其內(nèi)容包括如下步驟:
[0008](I)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應(yīng)的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經(jīng)理論推導(dǎo)計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布；vBT為空間分辨率內(nèi)溫度變化后對應(yīng)的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內(nèi)的采樣點數(shù)，取決于米樣率；
[0009](2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜；
[0010](3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(n=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線；
[0011](4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移V，根據(jù)公式Vbt=2v-vb，最終獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布，D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內(nèi)的米樣點數(shù)，取決于采樣率，νΒΤ為空間分辨率內(nèi)溫度變化后對應(yīng)的頻移，νΒ為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移；
[0012](5)至此獲得的了系統(tǒng)空間分辨率D/n，該空間分辨率完全取決于數(shù)據(jù)的采樣速度。
[0013]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種脈沖細分疊加信號處理方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是:
[0014]本發(fā)明首先將一個空間分辨率為Im的脈沖分為若干單元，各單元的光在光纖中傳播時會分別產(chǎn)生后向散射，獲得的實時后向散射譜為一個空間分辨率內(nèi)的所有單元散射譜的疊加。溫度變化的光纖段內(nèi)后向Brillouin散射光譜發(fā)生形變，形變中隱含了溫度變化信息。其次將此時的后向散射譜與整個傳感光纖周圍相應(yīng)位置處的標準后向散射譜作差得到疊加信息譜譜線。將該譜線在空間上依次減去前邊所有譜線的變化量，去除前面光譜中隱含的溫度信息對此光纖對應(yīng)光譜中隱含的溫度信息的影響，進而得到每個細分脈沖單元空間長度內(nèi)的散射譜變化量信息。最后根據(jù)頻移與溫度變化存在的線性關(guān)系，可得到此時整段光纖的溫度分布情況，該溫度分布情況體現(xiàn)的是厘米量級空間分辨率內(nèi)的信息。采用本發(fā)明方法則空間分辨率 僅取決于采樣速度，解決了傳統(tǒng)BOTDR系統(tǒng)空間分辨率與脈沖寬度相互制約的問題。
[0015]本發(fā)明方法操作簡單，解決了空間分辨率和傳感距離是一對矛盾的問題，極大地提高了系統(tǒng)性能，是一種理想的信號處理方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是布里淵散射譜產(chǎn)生的原理；
[0017]圖2是光纖周圍未發(fā)生溫度變化時，每隔0.1m進行一次采樣得到的IOm到Ilm內(nèi)的布里淵后向散射譜分布情況，即為標準譜線；
[0018]圖3是光纖周圍溫度變化后，每隔0.1m進行一次采樣得到的IOm到Ilm內(nèi)的布里淵后向散射譜分布情況，即為實時譜線；
[0019]圖4是是標準譜線與實時譜線的差，即為疊加信息譜；
[0020]圖5是經(jīng)過對疊加信息譜進行處理得到的譜線，即為信息譜；
[0021]圖6是進過信息譜得到的具體頻移值；
[0022]圖7是每0.1m內(nèi)的溫度分布情況。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖與具體實例對本發(fā)明作進一步的說明:
[0024]一種脈沖細分疊加信號處理方法，其內(nèi)容包括如下步驟:
[0025](I)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(n=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應(yīng)的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經(jīng)理論推導(dǎo)計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布；vBT為空間分辨率內(nèi)溫度變化后對應(yīng)的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內(nèi)的采樣點數(shù)，取決于米樣率；
[0026]如圖1所示，c為真空中光速，τ為探測脈沖寬度，η為光纖折射率。陰影部分長度c τ /n為探測脈沖長度，假設(shè)脈沖光前端點傳播至光纖Pl處時，產(chǎn)生散射單元SI，此時脈沖光繼續(xù)傳播，散射單元SI則開始沿相反方向傳播。當(dāng)脈沖光前端點傳播至P2處時，產(chǎn)生散射單元S2，而此時散射單元SI恰好傳播至光纖Pl處，與脈沖光后端點在Pl處產(chǎn)生的散射單元重合。在探測脈沖光從Pl處傳播至P4處的過程中，除了前端點外，其余每個位置都會產(chǎn)生散射單元。所以，此時P5處的散射單元為探測脈沖光前端點經(jīng)過整個Pl到P4之間的光纖時，在所有位置產(chǎn)生的子散射光譜的疊加，而Pl到P5的距離為探測脈沖空間長度的一半，所以分布式光纖傳感的空間分辨率為D=C τ /2η，即探測脈沖空間長度的一半。
[0027]基于以上散射機理，假設(shè)溫度為20°C時，普通單模光纖對應(yīng)的Brillouin頻移為
11.2GHz。在任意探測脈沖寬度情況下，假設(shè)整根傳感光纖前端IOm置于20°C常溫下，并將第10.1m到10.2m、10.5m到10.6m和10.7m到10.8m內(nèi)的光纖分別升溫至50。。、70。。和60。。。
[0028]此時將任意寬度的探測脈沖光注入發(fā)生溫度變化的傳感光纖中，對得到的后向布里淵散射光，采用2GHz采樣率對后向散射譜進行采樣，獲得的第IOm到Ilm光纖內(nèi)后向布里淵散射譜如圖2所示。已知當(dāng)整跟光纖與標準溫度中獲得的標準后向布里淵散射譜如圖3所示。 [0029](2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜；首先，將圖2對應(yīng)的實時后向散射譜與圖3對應(yīng)的標準譜相減得到初步的散射譜差，即為疊加信息譜，如圖4所示。
[0030](3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線；
[0031]再次，將圖4中的空間上第二條譜線減去第一條譜線，然后將第三條譜線減去第一條與第二條譜線的差，依次類推即可獲得正段光纖上的信息譜線，如圖5所示。
[0032](4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移V，根據(jù)公式νΒΤ=2ν-νΒ，最終獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布；
[0033](5)至此獲得系統(tǒng)空間分辨率，該空間分辨率完全取決于數(shù)據(jù)的采樣速度D/n。
[0034]最后通過圖5以及圖6即可獲得對應(yīng)譜線零點的頻移，V分比為11.228GHz、
11.223GHz和11.217GHz，此時通過vBm=2v-vB即可獲得IOm到Ilm光纖段內(nèi)每IOcm的布里淵頻移信息，即vBT分別為11.234GHzU1.256GHz和11.245GHz，進而獲得溫度信息，如圖7所示。
[0035]具體數(shù)據(jù)如表1所示。
[0036]表1溫度分布的具體數(shù)據(jù)
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖細分疊加信號處理方法，其特征在于:該方法內(nèi)容包括如下步驟: (1)將采集到的實時后向布里淵散射譜與標定溫度下獲得的標準后向布里淵譜相減獲得初步的散射譜差譜——疊加信息譜，將獲得的散射譜差譜中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)，如此依次得到整個光纖的信息譜線，獲得每條信息譜線零點對應(yīng)的頻率，最后利用Vbt=2v-vb，經(jīng)理論推導(dǎo)計算即可獲得整個光纖每D/n光纖長度內(nèi)的溫度分布；vBT為空間分辨率內(nèi)溫度變化后對應(yīng)的頻移，vB為室溫下的布里淵頻移，V為信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移；D為空間分辨率，η為每個空間分辨率內(nèi)的采樣點數(shù)，取決于采樣率； (2)將實時后向散射譜線與標定溫度下獲得的標準后向散射譜線做差，獲得疊加信息譜； (3)將獲得的重疊信息譜為一組譜線，將該組譜線中的第n+1條譜線與第η條譜線做差(η=2，3，…)獲得信息譜，后用第η條散射譜線減去信息譜中的第η條譜線之前所有的譜線，如此依次得到整個光纖的信息譜線； (4)獲得信息譜中每一條譜線的零點對應(yīng)的頻移V，根據(jù)公式νΒΤ=2ν-νΒ，最終獲得整個光纖每D/η光纖長度內(nèi)的溫度分布； (5)至此獲得系統(tǒng)空間分辨率，該空間分辨率D/n完全取決于數(shù)據(jù)的采樣速度。
【文檔編號】G01D5/26GK103791935SQ201410015444
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】張燕君, 李達, 付興虎, 畢衛(wèi)紅, 付廣偉 申請人:燕山大學(xué)